DE60122226T2

DE60122226T2 - Zentrifuge mit Neigungssteuerung

Info

Publication number: DE60122226T2
Application number: DE60122226T
Authority: DE
Inventors: Gary B. Saratoga Gordon
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2021-02-22
Also published as: US6361486B1; US20020052042A1; EP1129783B1; EP1129783A2; DE60122226D1; EP1129783A3; US7060439B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine chemische Instrumentenausrüstung und insbesondere auf Zentrifugen. Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Zentrifuge mit einer Neigungs-(d. h. Drehung relativ zu Schwer- oder Zentrifugalkraft)Steuerung relativ zu der Zentrifugalkraft, die durch die Zentrifuge erzeugt wird, zu liefern.
Der Lebensstandard in modernen Gesellschaften wurde durch Fortschritte in den chemischen, biologischen und medizinischen Wissenschaften stark erhöht. Diese Gebiete umfassen alle die Trennung von Proben in Bestandteilkomponenten, die dann verarbeitet werden können, um bei ihrer Identifikation und/oder quantitativen Bestimmung behilflich zu sein. Die Zentrifuge ist ein wichtiges Beispiel einer Instrumentenausrüstung, die verwendet wird, um Probenkomponenten zu trennen.
Außerdem können, wie es im Folgenden beschrieben ist, Zentrifugen, die die Neigung eines Probenbehälters relativ zu der Zentrifugalkraft steuern können, zum Schütten, Mischen, Filtern und Erleichtern von chemischen Reaktionen verwendet werden. Außerdem kann ein Neigen verwendet werden, um eine Flüssigkeitsbewegung zwischen mehreren Verarbeitungskammern eines Probenbehälters so zu steuern, dass eine Reihe von Prozessen ohne manuelles Eingreifen implementiert werden kann. Somit kann eine Zentrifuge mit Neigungssteuerung eine Probenverarbeitung automatisieren, die herkömmlicherweise manuell durch Chemiker durchgeführt wird.
Eine einfache Zentrifuge weist einen Zentrifugenrotor auf, der z. B. durch einen Motor gedreht wird. Normalerweise rotiert ein Flüssigprobenbehälter mit dem Rotor. Die rotierenden Probenkomponenten werden einer Zentrifugalkraft (F = mω²r) unterworfen, die proportional zu ihrer Masse, ihrer Entfernung von der Zentrifugenrotationsachse und dem Quadrat der Rotationsgeschwindigkeit ist. Die Wirkung der Zentrifugalkraft ist der Wirkung der Schwerkraft sehr ähnlich – flüssige Komponenten werden gemäß ihrer relativen Dichten getrennt. Anders als die Schwerkraft ist die Zentrifugalkraft jedoch einfach zu steuern, z. B. durch ein Steuern der Rotationsgeschwindigkeit. Somit kann eine Zentrifuge Zentrifugalkräfte erzeugen, die um Größenordnungen größer als die Schwerkraft auf der Erdoberfläche sind. Im Allgemeinen sind die „Superschwerkraft"-Bedingungen einer Zentrifuge viel effektiver beim Trennen von Probenkomponenten als die Schwerkraft.
Wie es im Vorhergehenden angedeutet wurde, haben die Superschwerkraftbedingungen, die durch Zentrifugen geboten werden, andere Verwendungen als eine Komponententrennung. Oft sind die Mengen einer Probe, die zur Analyse oder Verarbeitung zur Verfügung stehen, ziemlich klein. Im Zusammenhang mit kleinen Probenvolumen und den entsprechenden geringen Kapazitäten des Tragens der Proben begrenzt die Oberflächenspannung die Flüssigkeitsbewegung. Die Oberflächenspannung kann es schwierig machen, eine Flüssigkeit von Punkt zu Punkt fließen zu lassen, wie es für eine Reihe von Verarbeitungsschritten erforderlich ist, oder eine Flüssigkeit zu mischen, wie es erforderlich sein kann, um eine Reaktion zu fördern. Die folgenden drei Referenzen offenbaren verschiedene Lösungsansätze zum Neigen eines Probenbehälters auf einer Zentrifuge relativ zur Zentrifugalkraft. In jedem Fall wird das Neigen verwendet, um die Bewegung einer Probe bei einem Mehrkammerprobenbehälter von Kammer zu Kammer zu steuern, um eine Reihe von Reaktionen zu erleichtern.
Das US-Patent Nr. 5,089,417 für Wogoman offenbart eine Zentrifuge, bei der eine Haltevorrichtung für einen Probenbehälter von einer ersten Neigungsausrichtung zu einer zweiten Neigungsausrichtung schnappt, wenn die Zentrifuge eine vorbestimmte Drehgeschwindigkeit überschreitet. Auf ähnliche Weise wird die erste Neigungsausrichtung wiederaufgenommen, wenn die Zentrifugenrotationsgeschwindigkeit unter die Schwellengeschwindigkeit fällt. Somit kann durch ein Erhöhen und Verringern der Zentrifugenrotationsgeschwindigkeit eine Probenbewegung zwischen Reaktionskammern des Probenbehälters gesteuert werden. Dieser Lösungsansatz liefert jedoch eine geringe Flexibilität beim Auswählen der Zentrifugenrotationsgeschwindigkeit oder der Neigungswinkel relativ zu der Zentrifugalkraft. Es würde bevorzugt, die Zentrifugendrehung und die Neigungsaktionen unabhängig zu steuern.
Eine unabhängige Steuerung der Zentrifugenrotationsgeschwindigkeit und der Neigungsaktion ist in dem US-Patent Nr. 4,814,282 für Holen u.a. offenbart. Ähnlich wie bei Wogomon wird eine Neigung eines Probenbehälters verwendet, um eine Flüssigkeit unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft von einer Kammer zu einer anderen zu übertragen. Eine Neigungsantriebsanordnung, die einen Motor und eine Antriebskette umfasst, ist an dem Zentrifugenrotor angebracht, so dass sich dieselbe damit dreht. Leistung wird dem Neigungsantriebsmotor über Gleitringe geliefert, die dazu neigen, sich abzunutzen, da sie im Allgemeinen nicht dazu konzipiert sind, bei Zentrifugengeschwindigkeiten wirksam zu sein. Bei diesem Lösungsansatz würden sich jeglichen Sensoren, die verwendet werden, um die Neigung zu verfolgen, ebenfalls bei hohen Geschwindigkeiten drehen, was den Betrieb weiter verkompliziert. Außerdem werden Zentrifugenkräfte auf den Neigungsmotor und den Antriebsstrang ausgeübt. Z. B. muss ein 1-Pfund-Motor in einem ohne Weiteres erreichbaren 1000G-Superschwerkraftfeld Kräften von 1000 Pfund standhalten. Somit liegt eine Anzahl von Robustheitsproblemen vor, die nur mit zusätzlicher Komplexität und zusätzlichem Aufwand angegangen werden können.
Das US-Patent Nr. 4,776,832 für Martin u.a. vermeidet die Notwendigkeit von physischen Verbindungen, um einen Neigungsrotor anzutreiben, indem induktive Motoren verwendet werden. Die induktiven Motoren umfassen Induktionsrotoren, die physisch mit Haltevorrichtungen, z. B. für Reaktionszellen, gekoppelt sind, und feststehende Statoren, die unter dem Zentrifugenrotor (Rad) angeordnet sind. Die Statoren bewirken Wirbelströme bei den Induktionsrotoren, was bewirkt, dass sich dieselben drehen. Keine physische Verbindung wird zwischen den Statoren und den Induktionsrotoren benötigt, was die Notwendigkeit beseitigt, Leistung durch Gleitringe zu liefern. Andererseits stellt die nicht-physische Kopplung von Antrieb und Induktionsrotor keine genaue und flexible Steuerung einer Probenbehälterausrichtung relativ zu dem Superschwerkraftfeld sicher.
Ein Schütteln eines Probenbehälters unter zentrifugenbedingten Superschwerkraftbedingungen kann die Oberflächenspannung überwinden, um ein rasches und gründliches Mischen zu erreichen. Ein derartiges Mischen kann beim Fördern vieler Typen von Reaktionen, z. B. Arrayhybridisierung, sehr wertvoll sein.
Leider offenbart keines der drei Patente, die im Vorhergehenden erwähnt sind, Zentrifugen, die für diesen Zweck gut angepasst sind. Bei Wogomon fehlt eine unabhängige Steuerung der Zentrifugenrotationsgeschwindigkeiten und der Neigungswinkel. Holen liefert keine ausreichend robuste und genaue Steuerung des Neigungswinkels angesichts der hohen Geschwindigkeiten, bei denen der Neigungsmotor und jegliche zugeordnete Sensoren rotieren müssen. Bei Martin fehlt eine genaue Steuerung des Neigungswinkels angesichts des Fehlens einer mechanischen Verbindung zwischen den Neigungsstatoren und den Neigungsrotoren. Es wird eine wirtschaftliche und robuste Zentrifuge benötigt, die eine unabhängige und genaue Steuerung des Neigungswinkels eines Probenbehälters relativ zu einem rotierenden Zentrifugenrotor liefert.
Eine weitere Zentrifuge, die die Grundlage für den Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche 1 und 7 bildet, ist in der US-A-3,420,436 offenbart.
Die vorliegende Erfindung liefert eine Koaxialantriebszentrifuge mit Neigungssteuerung zum Handhaben von Flüssigproben unter Superschwerkraftbedingungen. Die Koaxialantriebsanordnung ermöglicht eine rein mechanische Kopplung zwischen einem feststehenden Neigungsmotor mit einem Neigungsrotor, der sich relativ zu einem sich drehenden Zentrifugenrotor dreht. Die Koaxialantriebselemente können mit der Drehachse für den Zentrifugenrotor ausgerichtet sein. Ein geeignetes Getriebe zwischen dem Koaxialneigungsantriebselement, z. B. einer Welle, und dem Neigungsrotor ermöglicht, dass die Neigungsachse von der Zentrifugenachse verschoben wird. Der Probenbehälter kann an dem Neigungsrotor so angebracht sein, dass der Winkel des Behälters relativ zu der Zentrifugalkraft gesteuert werden kann, um ein Mischen oder eine Bewegung des flüssigen Inhalts des Behälters zu fördern.
Die Erfindung liefert eine genaue Bewegungssteuerung. Die Zentrifuge und die Neigungsmotoren können servogesteuert sein. (Alternativ dazu können Hochgeschwindigkeitsschrittmotoren verwendet werden.) Der Neigungsmotor ist bevorzugt mit dem Zentrifugenmotor phasenverriegelt. Die gewünschten positiven und negativen Neigungen relativ zu der Zentrifugalkraft können zu dem Zentrifugenservowinkel hinzugefügt werden, um geeignete Differenzantriebsbefehle an den Neigungsmotor zu liefern.
Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung ist die Neigungsachse parallel zu der Zentrifugenachse und bezüglich derselben verschoben. Alternativ dazu liefert die Erfindung eine beliebige Ausrichtung der Neigungsachse relativ zu der Zentrifugenachse, obwohl die Neigungsachse bei den meisten Anwendungen paralleler zu der Zentrifugenachse als orthogonal zu derselben ist.
In dem Fall von parallelen Achsen und einem planaren Probenbehälter kann die Ebene des Behälters orthogonal zu der Neigungsachse oder allgemein orthogonal zu der Zentrifugalkraft sein. Die letztere Ausrichtung funktioniert am besten für ein Schütteln einer Probe durch ein Hin- und Herneigen, um ein Mischen zu fördern. Die erstere Ausrichtung funktioniert am besten für ein Steuern des Flusses einer Probe durch ein Labyrinth von Kammern in dem Probenbehälter. Obwohl eine Probenbewegungssteuerung im Stand der Technik geliefert wird, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine viel größere Flexibilität bei dem Entwurf des Labyrinths, da der Neigungswinkel genau steuerbar ist. In jedem Fall wird die gewünschte Bewegung unter Verwendung einer einfachen und robusten mechanischen Verbindung für sowohl Zentrifugen- als auch Schüttelbewegungen erreicht. Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen ersichtlich.
1 ist eine schematische Schnittansicht eines Arrayhybridisierungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung. In 1 zeigt eine grobe diagonale Schraffierung ein Zentrifugengehäuse an, eine feine Schraffierung mit negativer Steigung zeigt Komponenten an, die dem Zentrifugenrotor zugeordnet sind, während eine feine Schraffierung mit positiver Steigung Komponenten anzeigt, die den Schüttelrotoren zugeordnet sind.
2 ist eine schematische Grundrissansicht des Arrayhybridisierungssystems von 1 mit Reaktionszellen.
3A–3C zeigen drei Ausrichtungen einer Reaktionszelle von 2, die gemäß der vorliegenden Erfindung durch das System der 1 und 2 geschüttelt wird.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Zentrifuge AP1 zur Arrayhybridisie rung einer Flüssigprobe in Reaktionszellen 100 in 1 gezeigt. Die Zentrifuge AP1 umfasst ein Gehäuse 11, einen Zentrifugenrotor 13, ein Zentrifugenantriebssystem 15, Schüttelrotoren 17, ein Neigungsantriebssystem 19, einen Computer 21 und eine Servosteuerung 23. Die Neigungsrotoren 17 sind drehbar über Kugellager 25 in dem Zentrifugenrotor 13 befestigt. Somit drehen sich die Neigungsrotoren 17, während sich der Zentrifugenrotor 13 um seine „Zentrifugen"-Achse 25 dreht, um ihre jeweiligen „Neigungs"-Achsen 27, die zu der Zentrifugenachse 25 parallel und bezüglich derselben verschoben sind.
Das Gehäuse 11 umfasst eine scheibenförmige Basis 31, eine zylindrische Seitenwand 33 und eine Rotorabschirmung 35. Diese Gehäusekomponenten sind in 1 durch eine grobe diagonale Schraffierung angezeigt. Schrauben 37 befestigen die Seitenwand 33 an der Basis 31, während Schrauben 39 die Abschirmung 35 an der Seitenwand 33 befestigen.
Das Zentrifugenantriebssystem 15 umfasst einen Zentrifugenmotor 41, eine Zentrifugenmotorrolle 43, einen gezahnten Zentrifugenantriebsriemen 45, eine Zentrifugenwellenrolle 47 und eine hohle Zentrifugenwelle 49, wobei die Letztere mit dem Zentrifugenrotor 13 integriert ist. Die Zentrifugenmotorrolle 43 ist starr mit einer Zentrifugenmotorwelle 51 des Zentrifugenmotors 41 gekoppelt, während die Zentrifugenwellenrolle 47 starr mit der Zentrifugenwelle 49 gekoppelt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Zentrifugenwelle 49 drehbar über Kugellager 53 mit dem Gehäuse 11 gekoppelt ist.
Der Zentrifugenantriebsriemen 45 koppelt die Rollen 43 und 47 so, dass der Motor 41 die Zentrifugenwelle 49 und somit den Zentrifugenrotor 13 antreiben kann. Die Rollen 43 und 47 und der Riemen 45 weisen alle Zahnradzähne auf, um eine bekannte Beziehung zwischen der Motorausrichtung und der Rotorausrichtung sicherzustellen. Die Rollen 43 und 47 wei sen beide 100 Zähne auf, so dass sich der Zentrifugenrotor 13 auf einer 1:1-Grundlage mit der Motorwelle 41 dreht.
Das Neigungsantriebssystem 19 umfasst einen Neigungsantriebsmotor 61, eine Neigungsmotorrolle 63, einen Neigungsantriebsriemen 65, eine Neigungsantriebswellenrolle 67, eine Neigungsantriebswelle 69 und ein Neigungsantriebsritzel 71. Das Ritzel 71 ist monolithisch mit der Neigungsantriebswelle 69. Die Neigungsantriebswelle 69 erstreckt sich entlang der Zentrifugenachse 25 durch eine Aushöhlung in der Zentrifugenantriebswelle 49.
Die Neigungsmotorrolle 64 ist starr an einer Neigungsmotorwelle 73 des Neigungsmotors 61 befestigt. Der gezahnte Neigungsantriebsriemen 65 liefert eine Antriebsverbindung zwischen den Rollen 63 und 67, die beide Zahnräder aufweisen. Das Übersetzungsverhältnis der Rolle 63 zu der Rolle 67 beträgt 2:1. Die Neigungsantriebswellenrolle 67 ist starr mit der Neigungsantriebswelle 69 gekoppelt, so dass die Drehgeschwindigkeit des Ritzels 71 die Drehgeschwindigkeit der Neigungsantriebswellenrolle 67 ist. Das Ritzel 71 treibt den Neigungsrotor 17 mit 1:2 an, so dass der Neigungsmotor 61 den Neigungsrotor 1:1 antreibt. Alternativ dazu können andere Übersetzungsverhältnisse verwendet werden, z. B. kann ein höheres Motor-zu-Rotor-Übersetzungsverhältnis verwendet werden, um ein höheres Drehmoment für eine schnellere Beschleunigung zu erreichen, wenn Neigungsrichtungen geändert werden.
Der Zentrifugenmotor 41 und der Neigungsmotor 61 werden durch eine Servosteuerung 23 gesteuert. Zu diesem Zweck umfasst jeder Motor 41, 61 einen jeweiligen Ausrichtungscodierer 75, 77. Jeder Motor weist 1000 Markierungen auf, die 1000 gleichmäßig beabstandete Ausrichtungen anzeigen. Jeder Codierer erfasst diese Markierungen optisch und liefert Informationen, die für die Servosteuerung nötig sind, um die Ausrichtungen jedes Motors 41, 61 und somit der jeweiligen Rotoren 13, 17 zu verfolgen.
Die Servosteuerung 23, die von Galil Corporation in Mountain View, Kalifornien, hergestellt wird, weist den Zentrifugenmotor 41 normalerweise an, sich mit einer konstanten Geschwindigkeit in einer einzigen Richtung zu drehen. Z. B. kann eine Drehgeschwindigkeit von 3000 U/min verwendet werden, um 1004 G Superschwerkraft zu erreichen, wenn eine Beabstandung von 10 cm (unter Verwendung der Formel F = mω²R) zwischen der Zentrifugenachse 25 und der Neigungsachse 27 gegeben ist. Um sicherzustellen, dass die Drehgeschwindigkeit aufrechterhalten wird, vergleicht die Servosteuerung 23 die tatsächliche Ausrichtung mit der erwarteten Ausrichtung im Laufe der Zeit. Abweichungen werden wie bei einer herkömmlichen Servooperation kompensiert.
Es sei darauf hingewiesen, dass, falls die Neigungsrotordrehgeschwindigkeit mit der Zentrifugendrehgeschwindigkeit übereinstimmt, die Ausrichtung einer Reaktionszelle 100 relativ zu dem Zentrifugenrotor (und somit der Richtung der Superschwerkraft) sich nicht ändert. Falls eine Rüttelbewegung erforderlich ist, kann die gewünschte Rüttelgeschwindigkeit zu der Zentrifugendrehgeschwindigkeit addiert oder davon subtrahiert werden, um die gewünschte Neigungsdrehgeschwindigkeit zu erhalten. Diese Operation ist durch die Signale Neigung TLT und Zentrifuge CNT angezeigt, die durch einen Summierverstärker 79 summiert werden. Eine derartige Rüttelbewegung kann bei Reaktionszellen verwendet werden, die flach auf dem Neigungsrotor liegen (senkrecht zu den Neigungsachsen 27). Die Treibersignale von der Servosteuerung 23 werden durch Copley-Verstärker 81 und 83 verstärkt.
Im Allgemeinen ist für Reaktionszellen, die entlang der Neigungsachsen 27 ausgerichtet sind, wie es in 1 mit den Reaktionszellen 100 gezeigt ist, eine Schaukelbewegung zum Schütteln erwünscht. In diesem Fall wäre eine bevorzugte Bewegung, zu einer gewünschten Neigung relativ zu dem Zentrifugenradius zu drehen (hinunter in der Richtung der Superschwerkraft), diese Ausrichtung optional eine Zeit lang zu halten, dann in die entgegengesetzte Richtung zu der entgegengesetzten Neigung zu drehen, diese Ausrichtung optional eine Zeit lang zu halten und zu wiederholen.
Um die gewünschte Schaukelbewegung zu erreichen, bestimmt der Computer 21 die gewünschten Plus- und Minusdifferenzausrichtungen für den Neigungsmotor 61 relativ zu der Ausrichtung des Zentrifugenmotors. Diese dienen als Anschläge zwischen den Neigungen. Der Computer 12 programmiert dann die Servosteuerung 23 dementsprechend. Um sich in eine Richtung zu neigen, müssen sich die Neigungsrotoren 17 (relativ zu dem trägen Rahmen) schneller als der Zentrifugalmotor 13 drehen. Um sich in die entgegengesetzte Richtung zu neigen, müssen sich die Neigungsrotoren langsamer als der Zentrifugalmotor 13 drehen.
Z. B. können sich der Zentrifugenmotor 41 und somit der Zentrifugenrotor mit 3000 U/min drehen. Die gewünschte Zentrifugenrotordrehbewegung und die Neigungsrotorschaukelbewegungen sind in 2 durch Pfeile 91 bzw. 93 angezeigt. Die Schüttelamplitude ist ausgewählt, um etwa ±6 zu betragen, um ein volles „Schwappen" der Probenflüssigkeit zu bewirken. Die Schüttelgeschwindigkeit hängt von der Probenflüssigkeit und der Zentrifugalkraft ab. Ein typischer Wert wäre ein 5 Hz-Schütteln, das zehn Nachfüllungen pro Sekunde ergeben würde. Diese Werte werden durch den Computer 21 in die Servo 23 programmiert, wobei eine Programmiersprache hohen Niveaus verwendet wird, die von der Galil-Servosteuerung 23 verwendet wird.
Die Codierer 75 und 77 sind 250-Schlitz-A-Vierer-B-Codierer, die 360° in 1000 Ausrichtungen auflösen. Somit entsprechen 16 Codiererzählwerte etwa 6°. Somit kann eine Befehlssequenz an die Servosteuerung 23 die Form der folgenden Befehle annehmen, die mit der Geschwindigkeit von zehn pro Sekunde verarbeitet werden „den Neigungsmotor 16 Zählwerte relativ zu dem Zentrifugenmotor vorbewegen, 32 Zählwerte zurückbewegen, wieder 32 Zählwerte vorbewegen, wieder 32 Zählwerte zurückbewegen usw., was mit einer 16-Zählwert-Rückkehr zur Mitte endet.
Andere Ausführungsbeispiele verwenden andere Übersetzungsverhältnisse. In derartigen Fällen wird die Neigungsmotorgeschwindigkeit trotzdem aus der Summe der Zentrifugenrotorrotationsgeschwindigkeit und der gewünschten Neigungsgeschwindigkeit bestimmt. In diesem Fall wird die Summe jedoch mit dem Übersetzungsverhältnis Neigungsmotor:Rotor multipliziert. Auch ist die Zentrifugenrotorrotationsgeschwindigkeit der Quotient der Zentrifugenmotorrotationsgeschwindigkeit geteilt durch das Übersetzungsverhältnis Zentrifugenmotor:Rotor. Diese Beziehungen bestimmen, wie eine Servo den Neigungsmotor und die Zentrifugenmotoren steuern soll. Diese Beziehungen gehen davon aus, dass die Neigungs- und Zentrifugenmotoren und Codierer äquivalent sind. Falls sich dieselben unterscheiden, müssen die Antriebsbefehle diese Unterschiede berücksichtigen, wie es in der Technik bekannt ist.
Die Reaktionszellen 100 sind ähnlich, so dass die folgende Beschreibung irgendeiner davon repräsentativ ist. Eine Reaktionszelle 100 umfasst ein Substrat 101 und eine Abdeckung 103, um eine Innenvolumen oder eine „Reaktionskammer" 105 von 2 cm × 2 cm × 0,25 mm zu definieren. (In den Figuren wird die Dicke der Reaktionszelle 100 aus Gründen der Veranschaulichung übertrieben.) Während einer Hybridisierung wird dieses Innenvolumen teilweise mit einer Probenflüssigkeit 109 gefüllt, wobei der Rest des Zelleninnenvolumens mit Gas 107, z. B. Trockenluft oder Stickstoff, gefüllt ist. Ein Hybridisierungsarray 110 mit 10.000 Sonden, die in einem Array von 100 × 100 angeordnet sind, ist auf dem Substrat 101 auf der Seite, die in Kontakt mit der Probenflüssigkeit ist, definiert. Zwei Septa (nicht gezeigt) in jeder Abdeckung 103 ermöglichen, dass Fluid in die Reaktionszelle 100 eingeführt und aus derselben entfernt wird.
In 3A ist eine Reaktionszelle 100 gezeigt, die am Anfang eines Schüttelzyklus +6° gegen den Uhrzeigersinn relativ zu einem Mittelzentrifugalkraftvektor 115 geneigt ist. (Schüttelwinkel sind in den 3A–3C aus Gründen der Veranschaulichung übertrieben.) Bei dieser Ausrichtung befindet sich die gesamte Probenflüssigkeit 109 außer einem dünnen Film an dem Ende 117, das in den 3A–3C links gezeigt ist. Die Oberfläche der Probenflüssigkeit 109 stellt im statischen Zustand einen konstanten Radius von der Zentrifugalachse 113 dar (1).
In 3B hat sich die Reaktionszelle 100 im Uhrzeigersinn an einer ebenen (orthogonal zu einem Zentrifugalkraftvektor 115) Ausrichtung vorbei zu einer Ausrichtung von –2° im Uhrzeigersinn gedreht. Bei dieser Ausrichtung hat ein Teil der Flüssigkeit das entgegengesetzte Ende 119 (rechts in den 2A–2C) erreicht. Der Großteil der verbleibenden Flüssigkeit befindet sich immer noch an dem Ende 117 im Uhrzeigersinn, während sich eine sich verjüngende Lage der Probenflüssigkeit 109 zwischen den Enden 117 und 119 erstreckt.
In 3C hat sich die Reaktionszelle 100 zu einer äußersten Position im Uhrzeigersinn bei –6° gedreht. In dieser Position befindet sich die Probenflüssigkeit 109 außer einem dünnen Film an dem rechten Ende 119 der Reaktionszelle 100. Dies schließt die erste Hälfte eines Schüttelzyklus ab. Die zweite Hälfte des Schüttelzyklus beginnt mit der Ausrichtung von 3C und endet mit der Ausrichtung von 3A. Die Rückkehrbewegung liefert ein hochgradig wünschenswertes vertikales Mischen.
Das vertikale Mischen stellt sicher, dass jedes Zielmolekül eine gewisse Zeit nahe genug an dem Array 110 verbringt, dass eine Bindung stattfinden kann. Die Zentrifugalkraft 115 hilft dabei, die Trägheit der Flüssigkeit und ihre nicht-spezifischen Bindungskräfte mit dem Substrat zu überwinden, so dass eine hohe Schüttelgeschwindigkeit aufrecht erhalten werden kann. Die Vorteile der Erfindung können mit dem folgenden, zugegebenermaßen näherungsweisen Verständnis des Hybridisierungsprozesses verstanden werden.
Wenn die Schüttelgeschwindigkeit verdoppelt wird, ist es wahrscheinlich, dass jedes Zielmolekül die Hälfte der Zeit halb so weit von einer jeweiligen Sonde entfernt gefunden wird. Wenn es halb so weit entfernt ist, ist es viermal so wahrscheinlich, dass dasselbe hybridisiert. Das Intervall, über das dasselbe hybridisieren kann, ist jedoch halb so lang. Somit verdoppelt das Verdoppeln der Schüttelgeschwindigkeit im Prinzip die Hybridisierungsrate. Diese lineare Beziehung gilt, bis nicht spezifische Bindungsfluidkräfte verhindern, dass eine Probenflüssigkeit ihre Bewegung über das Array abschließt. Je stärker die Zentrifugalkraft, desto höher kann die Schüttelgeschwindigkeit angehoben werden, bevor diese einschränkende Überlegung zutrifft. Somit kann die Zentrifugengeschwindigkeit erhöht werden, bis die beteiligten Kräfte eine spezifische Bindung beeinträchtigen oder die Integrität der hybridisierten oder nicht-hybridisierten Arten bedrohen.
In 1 sind die Neigungsachsen 27 parallel zu der Zentrifugenachse 25, und die Hybridisierungsarrays sind im Allgemeinen orthogonal zu der Zentrifugalkraft. Bei anderen Ausführungsbeispielen sind die Probenbehälter im Allgemeinen auch orthogonal zu der Zentrifugalkraft, aber die Neigungsachsen sind nicht parallel zu der Zentrifugenachse. Z. B. können die Neigungsachsen umfangsmäßig (in anderen Worten „tangential") relativ zu der Zentrifugenachse ausgerichtet sein.
Die Reaktionszellen 100 von 1 sind so ausgerichtet, dass die Arrays 110 im Allgemeinen orthogonal zu der Zentrifugalkraft sind. Schiefe Ausrichtungen sind ebenfalls vorgesehen. Z. B. können Reaktionszellen so ausgerichtet sein, dass dieselben orthogonaler zu der Zentrifugalkraft als entlang derselben sind. Reaktionszellen können jedoch sowohl entlang als auch orthogonal zu der Zentrifugalkraft ausgerichtet sein.
Insbesondere bei einer umfangsmäßig ausgerichteten Neigungsachse, jedoch auch in anderen Fällen, bei denen das Array orthogonal zu der Zentrifugalkraft ist, kann das Substrat zylindrisch gekrümmt sein, z. B. entlang einem Radius, der etwas geringer als (z. B. 90%) die Entfernung zwischen der Neigungsachse und der Zentrifugenachse ist. In diesem Fall ist die Zentrifugalkraft weg von der Arraymitte und sogar an den Extremata der Neigungsbewegung orthogonaler zu dem Array. Dies liefert eine gleichmäßigere Probenflüssigkeitsverteilung über das Array, was wiederum ermöglicht, dass weniger Probenflüssigkeit verwendet wird, ohne ein Trocknen des Arrays zu riskieren. Außerdem ist das Schütteln bei der Probe sanfter.
Die Reaktionszelle kann auch eine Halterungseinrichtung umfassen, die wirksam ist, um die Abdeckung und das Substrat zusammenzupressen, d. h. die Abdeckung auf dem Substrat zu immobilisieren, wodurch eine wasserdichte, vorübergehende Abdichtung dazwischen gebildet wird. Die Halterungseinrichtung stellt eine stabile, wirksame und sichere Positionierung der Abdeckung über dem Substrat sicher. Eine optionale Dichtungseinrichtung benachbart zu der Oberfläche der Abdeckung kann enthalten sein, um beim Ausgleichen des Drucks zu helfen, der durch die Halterungseinrichtung geliefert wird. Die optionale Dichtung kann z. B. zwischen der Abdeckung und dem starren Rahmen platziert sein, um eine Nachgiebigkeit bei dem System zu liefern, und um den Druck auszugleichen, der auf die Abdeckung und das Substrat ausgeübt wird. Die Vorrichtung weist ferner eine Fluidübertragungseinrichtung auf, die eine Einführung von Fluid von außerhalb der Vorrichtung in die Reaktionskammer und eine Entfernung aus derselben ermöglicht. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Fluideinführungseinrichtung ein oder mehr Tore in der Abdeckung auf.
Es wird bevorzugt, dass die Abdeckung aus Kunststoff und das Substrat aus Glas, Kunststoff, Quarzglas oder Silizium hergestellt ist, wobei die Abdichtung zwischen Kunststoff und entweder Glas, Kunststoff, Quarzglas oder Silizium vorteilhaft ist zum Erzeugen der Vorrichtung der Erfindung. Das Abdeckungsmaterial sollte thermisch stabil, chemisch träge und bevorzugt nicht klebend sein. Außerdem sollte die Abdeckung, wenn die Vorrichtung bei einer Hybridisierung verwendet wird, aus einem Material gebildet sein, das bei Bedingungen, die bei der Hybridisierung verwendet werden, chemisch und physisch stabil ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Kunststoffabdeckung um Polypropylen, Polyethylen oder Acrylnitril-Butadien-Styren („ABS"). Bei dem bevorzugtesten Ausführungsbeispiel ist die Kunststoffabdeckung aus Polypropylen gebildet. Die Abdeckung kann durch eine Maschinenbearbeitung oder Formungstechnologien hergestellt werden.
Wie es im Vorhergehenden erwähnt wurde, weist die Abdeckung bevorzugt eine Lippe entlang ihrer Abdeckung auf, die einen großen mittleren ausgenommenen Abschnitt der Innenseite der Abdeckung begrenzt. Ein Ausüben von Druck auf die Außenseite der Abdeckung direkt über der Umfangslippe ist erforderlich, um die dichte Abdichtung zwischen der Abdeckung und dem Substrat zu bilden. Eine beliebige Einrichtung, die die Lippe der Abdeckung fest auf das Substrat presst, ist geeignet. Ein derartiger Druck kann gleichmäßig z. B. durch Klemmen, eine Presse oder durch ein Bedecken des Substrats und der Abdeckung in einem zweiteiligen starren Rahmen und ein Zusammenpressen der beiden ausgeübt werden, um einen gleichmäßigen Druck auf die Abdeckung und das Substrat zu liefern. Falls es gewünscht wird, kann die Umfangslippe der Abdeckung modifiziert werden, um eine verbesserte Abdichtung zu liefern; z. B. können ein oder mehr durchgehende Stege in die Lippe eingegliedert werden, so das der Druck, der an die Abdeckung geliefert wird, an diesen Orten höher ist und bevorzugt bewirkt, dass dieselben sich zusammendrücken.
Bei jedem dieser Ausführungsbeispiele kann die Reaktionszelle wiederverwendet werden, da die Umfangsabdichtung vorübergehend ist und die Halterungseinrichtung entfernt werden kann, wenn es gewünscht wird. Somit kann die Reaktionszelle ohne weiteres nach der Verwendung auseinander genommen, gereinigt und erneut zusammengesetzt werden (mit anderen Komponenten, wie z. B. einem anderen Substrat, falls dies gewünscht wird), so dass einige oder alle der Komponenten der Reaktionszelle wiederverwendet werden können.
Diese Reaktionszelleninnenhöhe kann von etwa 0,002'' bis 0,02'' (50 μm bis 500 μm) reichen. Die Abmessung der Abdeckung, der Umfangslippe und der Reaktionsfläche sind derart, dass die Reaktionsfläche allgemein in dem Bereich von etwa 4 mm² bis 500 mm², bevorzugt etwa 20 mm² bis 350 mm² liegt und die Reaktionskammer ein Volumen in dem Bereich von etwa 0,2 μl bis etwa 312 μl, bevorzugt etwa 1 μl bis 200 μl aufweist.
Das Hybridisierungsarray 110 weist eine Mehrzahl von Molekülsonden auf, die daran gebunden sind. Bevorzugt sind die Molekülsonden auf eine räumlich definierte und physische adressierbare Weise angeordnet, d. h. sie liegen in ein oder mehr „Arrays" vor. Bei einem bevorzugtesten Ausführungsbeispiel sind die Sonden Oligonukleotidsonden (einschließlich cDNA-Molekülen oder PCR-Produkten), obwohl andere Biomoleküle, z. B. Oligopeptide und dergleichen, auch als Sonden dienen können.
Die vorliegende Erfindung weist eine Anwendbarkeit bei analytischer Chemie und Industriegebieten auf, die sich auf ihre Techniken stützen. Obwohl die Zentrifuge AP1 in ihrer Verwendung zur Hybridisierung und einer anderen Reaktion, die ein Flüssigkeitsschütteln erfordert, beschrieben ist, kann dieselbe auch zur Sequentialisierung von Reaktionen verwendet werden, indem eine Flüssigkeit in einem Probenbe hälter von Kammer zu Kammer bewegt wird. Außerdem kann dieselbe zur Probenkomponententrennung verwendet werden.
Variationen bei den offenbarten Ausführungsbeispielen liefern andere Ausrichtungen des Probenbehälters relativ zu der Zentrifuge und/oder Neigungsachse. Alternative Ausführungsbeispiele liefern nicht-parallele Beziehungen zwischen der Zentrifugen- und Neigungsachse und sogar ein Variieren des Winkels zwischen diesen Achsen. Wenn Präzision nicht kritisch ist, können Nicht-Servomotoren bei Anwendungen verwendet werden. Andererseits können schnelle Schrittmotoren als eine Alternative zu servogesteuerten Motoren verwendet werden, wenn Präzision erforderlich ist. Diese und andere Variationen und Modifizierungen bei den offenbarten Ausführungsbeispielen werden durch die vorliegende Erfindung geliefert, deren Schutzbereich durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Eine Zentrifuge (AP1) zum Neigen eines Probenbehälters (100) unter Superschwerkraftbedingungen, wobei die Zentrifuge folgende Merkmale aufweist: einen Zentrifugenrotor (13), wobei der Zentrifugenrotor um eine Zentrifugenachse (25) drehbar ist; einen Neigungsrotor (17), wobei der Neigungsrotor drehbar mit dem Zentrifugenrotor gekoppelt ist, um um eine Neigungsachse (27) drehbar zu sein, die nicht mit der Zentrifugenachse zusammenfällt; eine Zentrifugenantriebseinrichtung (15) zum Drehen des Zentrifugenrotors; und eine Neigungsantriebseinrichtung (19) zum Drehen des Neigungsrotors, wobei die Neigungsantriebseinrichtung eine Neigungsantriebswelle (69) umfasst, die sich entlang der Zentrifugenachse erstreckt und um die Zentrifugenachse drehbar ist; wobei die Zentrifugenantriebseinrichtung einen Zentrifugenmotor (41) umfasst, der die Ausrichtung des Zentrifugenrotors steuert, wobei die Neigungsantriebseinrichtung einen Neigungsmotor (61) zum Steuern der Ausrichtung des Neigungsrotors über die Neigungswelle umfasst; dadurch gekennzeichnet, dass die Motoren (41, 61) servogesteuerte Motoren oder Schrittmotoren oder gegenseitig phasenverriegelte Motoren sind, die durch eine gemeinsame Steuerung (23) gesteuert werden.
Eine Zentrifuge gemäß Anspruch 1, bei der der Zentrifugenmotor und der Neigungsmotor feststehend sind.
Eine Zentrifuge gemäß Anspruch 1 oder 2, die ferner eine Neigungscodierereinrichtung (77) zum Anzeigen der Ausrichtungen des Neigungsrotors und des Zentrifugenrotors an die Servosteuereinrichtung aufweist.
Eine Zentrifuge gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Zentrifugenausrichtungscodierereinrichtung (75) zum Liefern von Anzeigen der Ausrichtung des Zentrifugenrotors aufweist, wobei die Zentrifugenausrichtungscodierereinrichtung mit der Servosteuereinrichtung zum Liefern der Anzeigen an dieselbe gekoppelt ist.
Eine Zentrifuge gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Neigungsrotor starr mit dem Probenbehälter gekoppelt ist.
Eine Zentrifuge gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Neigungsachse paralleler zu der Zentrifugenachse als orthogonal zu derselben ist.
Eine Zentrifuge (AP1) zum Neigen eines Probenbehälters (100) unter Superschwerkraftbedingungen, wobei die Zentrifuge folgende Merkmale aufweist: einen Zentrifugenrotor (13), wobei der Zentrifugenrotor um eine Zentrifugenachse (25) drehbar ist; einen Neigungsrotor (17), wobei der Neigungsrotor drehbar mit dem Zentrifugenrotor gekoppelt ist, um um eine Neigungsachse (27) drehbar zu sein, die nicht mit der Zentrifugenachse zusammenfällt; eine Zentrifugenantriebseinrichtung (15) zum Drehen des Zentrifugenrotors; eine Neigungsantriebseinrichtung (19) zum Drehen des Neigungsrotors, wobei die Neigungsantriebseinrichtung eine Neigungsantriebswelle (69) umfasst, die sich entlang der Zentrifugenachse erstreckt und um die Zentrifugenachse drehbar ist; wobei die Zentrifugenantriebseinrichtung einen Zentrifugenmotor (41) umfasst, der die Ausrichtung des Zentrifugenrotors steuert, wobei die Neigungsantriebseinrichtung einen Neigungsmotor (61) zum Steuern der Ausrichtung des Neigungsrotors über die Neigungswelle umfasst; dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifuge ferner eine Servosteuereinrichtung (23) zum Steuern der Ausrichtung des Neigungsrotors durch ein Steuern des Neigungsmotors teilweise in Abhängigkeit von der Ausrichtung des Zentrifugenrotors aufweist.